1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
基于分区线性法对圆形渐变滤光片型光谱辐射计开展辐射定标研究，以解决温度范围大、工作波段宽的测量目标对该类型光谱辐射计造成的非线性问题。所提光谱辐射计的主要技术原理是将待测目标的温度区间分为多个子区间，采集目标温度区间内多个不同温度黑体对应的测量光谱，并计算各个温度下的响应度函数。在进行红外光谱测量时，将目标光谱与区间内记录的不同温度点光谱进行比对，从而确定待测目标所属温度子区间的上下限。根据子区间计算的响应度函数，通过线性插值求得待测目标的响应度函数并进行辐射定标。基于该方法的实验结果表明，待测目标理论辐亮度与使用分区线性法进行辐射定标得到的辐亮度在波长范围内的平均偏差小于1%。通过定标结果反演测量黑体的等效温度，等效温度误差小于2%。
测量 红外光谱辐射计 圆形渐变滤光片 辐射定标 黑体 分区线性标定法 光学学报
2023, 43(23): 2312001
1 中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
以干涉高光谱成像模型为基础，提出一种结合先验约束的空谱信息同步复原模型，通过非负低秩特性和全变分（TV）正则项分别约束复原高光谱图像的谱间强相关性和空间分段平滑特性，并采用L1范数和Frobenius范数分别对干涉数据中的稀疏性噪声和高斯噪声进行建模。模拟和真实干涉数据的对比实验验证了所提方法的有效性。相比于传统的干涉数据复原方法，所提方法在准确复原目标光谱信息的同时，能够有效地消除干涉图混合噪声的退化影响，从而提高复原高光谱图像的数据质量。
光谱学 干涉成像光谱仪 光谱复原 低秩 全变分 正则化 光学学报
2022, 42(24): 2430001
1 中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
提出一种基于低秩约束惩罚最小二乘（LRPLS）的基线校正方法。利用惩罚最小二乘模型综合考虑拟合基线对干涉图的保真度和平滑度的影响，同时引入有效干涉图和噪声的低秩-稀疏先验约束条件，从而构建联合低秩矩阵恢复和惩罚最小二乘的正则化框架，并采用基于增广拉格朗日乘子的迭代优化算法进行求解。在“嫦娥一号”卫星干涉成像光谱仪（IIM）数据上的实验表明，所提方法在去除基线的同时，能够保留干涉图的有效信息。相比于现有的基线校正方法，所提方法具有更好的稳定性和抗噪能力；校正后复原高光谱影像得到显著提升，对于改善干涉成像光谱仪数据质量具有较高的实际应用价值。
光谱学 干涉成像光谱仪 基线校正 光谱复原 惩罚最小二乘 低秩矩阵恢复 光学学报
2022, 42(14): 1430001
1 安徽大学 物理与光电工程学院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院 合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
提出了一种基于可调偏振度源的偏振定标方法, 利用方法完成了基于偏振光谱强度调制(PSIM)技术偏振光谱仪的线偏振光偏振度测量结果定标校正。以可调偏振度源输出的不同偏振度的线偏振光作为待测光源, 用PSIM偏振光谱仪测量待测光源输出得到原始数据。将原始数据解析处理得到的偏振度谱与待测光源输出的理论偏振度谱进行线性拟合, 得到校正系数。利用该校正系数对PSIM偏振光谱仪的测量处理结果进行定标校正。结果表明: 在有效测量波段内(500~650nm), 定标校正后PSIM偏振光谱仪的线偏振度测量解析精度明显提高, 与待测光源输出的标准偏振度值间的最大误差由0.017减小到约为0.003, 基于可调偏振度源的偏振定标校正方法具有可行性。
光学测量 偏振 偏振光谱仪 定标校正 optical measurement the polarization polarization spectrometer calibration correction
中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
二氧化碳 (CO2) 是大气中重要的温室气体, 准确掌握大气 CO2 的含量及变化可为气候变化预测及环境决策提供支持。为满足气候研究的需求, 卫星观测大气 CO2 柱平均干空气混合比 (XCO2) 的反演精度需优于 1%。搭载于高分五号卫星上的大气主要温室气体监测仪 GMI (Greenhouse gases monitoring instrument) 采用新型的空间外差光谱技术, 具有超高光谱分辨率。由于超分辨率卫星观测光谱面临着大气、地表和仪器的综合影响, 故根据 GMI 仪器特征设计了针对性的反演方法, 通过光谱信息含量的分析, 构建出用于大气 CO2 反演的信息谱以及用于背景扣除的参考谱, 以此重建观测数据和模拟数据, 并采用最优化估计法反演大气 XCO2。该方法具备缓变背景扣除功能, 可解决空间外差干涉型光谱的大气 CO2 反演问题。利用该反演方法对 2018 年 8 月至 2019 年 3 月的 GMI 观测数据开展反演, 并采用碳总量观测网 12 个站点的地面大气 CO2 测量结果进行验证。验证结果表明该反演方法可稳定实现 GMI 卫星观测数据的反演, 且 GMI 大气 XCO2 反演精度为 0.67%, 优于 1% 的应用需求。
大气 CO2 反演方法 空间外差光谱 验证 atmospheric CO2 retrieval method spatial heterodyne spectroscopy validation 大气与环境光学学报
2021, 16(3): 231
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
基于我国GF-5号卫星上大气温室气体监测仪(GMI)的遥感数据,开展中国区域的CO2反演实验,根据中国区域特征差异对CO2廓线样本进行统计,构建了适合中国区域特征、具有代表性的样本集,然后将统计反演得到的CO2廓线作为初始值代入物理反演方法当中,形成协同统计和物理方法的新算法。通过分析新算法的反演结果,得出协同反演算法在单独使用物理反演算法的基础上精度提高了47.7%,其反演结果与国际上同类型的卫星OCO-2提供的观测结果的相关性达到88.5%。
大气光学 大气温室气体监测仪 CO2 协同反演算法 光学学报
2021, 41(15): 1501002
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
利用辐射传输模型(SCIATRAN)联合高分辨透射率谱线(HITRAN)库对包含 13CO2强吸收特征的中红外光谱进行特性分析,发现中红外相比于近红外与热红外波段, 13CO2的吸收特征更为明显,并且中红外波段对对流层5~15 km处的二氧化碳浓度变化极为敏感。大气的对流与交换使得中高层CO2的浓度变化与近地表息息相关。通过对光谱特性的分析,得出影响二氧化碳反演的主要因素是水汽、温度和氧化亚氮。在进一步研究利用卫星遥感数据反演得到的 13CO2浓度时,给出了反演的必要条件,其中水汽廓线需满足50×10 -6的精度,温度廓线需要满足高于0.03 K的精度,氧化亚氮廓线需要高于5×10 -9的精度,仪器的信噪比需要高于600。该结论为利用卫星遥感探测 13CO2提供了理论基础,并为未来的超光谱探测器制造指标提出了要求,可以更好掌控CO2“源”与“汇”及输送规律, 了解全球碳循环收支。
大气光学 中红外波段 13CO2 反演 光学学报
2021, 41(11): 1101003
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
大气CO2卫星遥感监测的关键在于高精度, 而植物叶绿素荧光存在与大气散射相似的光谱特征, 干扰大气散射相关参数的反演结果, 从而影响CO2的反演精度。 因植物叶绿素荧光强度微弱且影响特征与大气散射高度相关而难以准确校正。 鉴于现有大气CO2卫星遥感精度不足, 以及植物叶绿素荧光对大气CO2反演存在不可忽视的影响程度和复杂性, 设计了O2-A、 1.6和2.06 μm CO2三个光谱带协同的参数化校正方法。 首先通过对大气散射采取基于光子路径长度概率密度函数(PPDF)的参数化建模, 降低叶绿素荧光与大气散射参数的光谱相关性; 其次, 针对叶绿素荧光强度弱, 难以准确反演的问题, 基于轨道碳观测器(OCO-2)的叶绿素荧光产品构建了5km分辨率的全球叶绿素荧光先验信息库, 增强CO2与叶绿素荧光同步反演中对叶绿素荧光的先验约束, 提高叶绿素荧光的反演精度。 通过O2-A、 1.6和2.06 μm CO2三个光谱带的协同同时反演大气散射、 叶绿素荧光和大气CO2, 并结合叶绿素荧光丰富的先验信息, 能够较准确剥离大气散射和叶绿素荧光而提高大气CO2的反演精度。 选择叶绿素荧光强度明显较高的柱总碳观测网络(TCCON)中的Park Falls(45.945°N, 90.273°W)站点开展验证, 对该站点近4年每年8月份的温室气体观测卫星(GOSAT)数据进行反演, 发现植被叶绿素荧光导致GOSAT XCO2反演结果系统偏低2×10-6(ppm)左右, 通过本文的方法进行校正, 反演结果的低估程度有明显改善, 最大低估由2.58 ppm降低到1.49 ppm, 且离散程度也有一定程度的改善, 明显控制了CO2反演中叶绿素荧光的影响, 对于实现1%(~4 ppm)的CO2反演精度来说, 提供了有力支撑。
植物叶绿素荧光 校正 先验信息库 Carbon dioxide Plant chlorophyll fluorescence Correction Prior information database PPDF CO2 PPDF
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
光学遥感器在轨绝对辐射定标精度决定着定量化应用的广度和深度,反射率法、辐照度法以及辐亮度法等基于大面积均匀场的在轨替代定标发挥着重要作用,但由于存在场地数量有限、定标频次低、场地反射率低以及单点定标无法实现全动态范围定标的问题,定标精度限制在5%~8%之间。光学遥感器空间分辨率的提高,使得基于光谱平坦性好、朗伯性好的灰阶靶标的绝对辐射定标成为可能。本文研究了基于灰阶靶标的定标方法的原理、定标流程及影响因素,并在此基础上提出了简化辐射传输计算的方法。考虑到高分辨多光谱相机响应线性及暗电流等的影响,本文采用带偏置的一次函数响应模型,对某多光谱相机进行了三次试验,求出了定标增益与偏置,定标不确定度优于5%。利用铺设的彩色靶标进行了反射率反演验证,结果显示,在5%~70%的反射率内,绝对差值不到0.01。所提绝对辐射定标方法可以实现光学卫星遥感器大动态范围的绝对辐射定标,解决了在响应低端定量化应用时定标精度普遍较低的问题。
遥感 辐射定标 灰阶靶标 反射率基法
